高速切削技术
数控机床中高速切削加工技术的运用探讨工作内容
数控机床中高速切削加工技术的运用探讨工作内容
数控机床是现代科技发展的重要体现,其应用范围广泛,尤其是在制造业中
扮演着重要的角色。
高速切削加工技术是数控机床中的一种重要加工方式,其能够提高加工精度和速度,降低生产成本。
本文将探讨数控机床中高速切削加工技术的运用,以及其工作内容。
一、高速切削加工技术的特点
高速切削加工技术是指使用高速切削工具对材料进行切削加工的方法。
其主要特点包括:
1. 高速度:高速切削工具的速度通常在数百至数千公里每小时之间,能够提高加工速度,降低加工成本。
2. 高精度:高速切削工具能够提高加工精度,达到纳米级别的精度。
3. 高效率:高速切削工具能够在较短的时间内完成加工任务,提高工作效率。
4. 环保节能:高速切削工具具有环保节能的特点,能够在减少能源消耗的同时,提高生产效率。
二、高速切削加工技术在数控机床中的应用
1. 制造精密零部件
数控机床采用高速切削技术可以制造精密的零部件,如航空航天部件、汽车发动机零件、电子零部件等。
这些零部件的精度和表面质量要求高,而高速切削技术能够满足这些要求。
2. 制造高速切削刀具
高速切削技术可以制造高速切削刀具,如刀具、切削工具等。
这些刀具能够用于加工高硬度、高精度的材料,如钛合金、硬质合金等。
3. 加工金属合金
金属合金的加工是高速切削技术的重要应用之一。
金属合金通常具有高强度、高硬度和高韧性,而高速切削技术能够满足这些要求。
先进制造工艺技术高速切削
进给速度
合理设置进给速度，以保 证加工表面质量和刀具寿 命。
切削深度
根据刀具和工件材料特性， 选择合适的切削深度，以 获得良好的加工效果。
加工过程的监控与检测
01
切削力监测
通过实时监测切削力变化，可以 判断刀具磨损情况和调整切削参 数。
02
加工表面质量检测
03
刀具磨损监测
采用表面粗糙度仪、光学显微镜 等方法检测加工表面质量，以确 保加工精度和降低不良率。
高速切削适用于多种材料加工 ，包括钢、铸铁、有色金属等
，扩大了加工范围。
高速切削对机床的要求
高转速主轴
高进给系统
为了实现高速旋转的刀具，机床需要配备 高转速的主轴，通常转速范围在每分钟数 千转到数万转之间。
为了实现高速进给的切削方式，机床需要 配备高进给的传动系统和控制系统，确保 切削过程的稳定性和准确性。
刀具涂层
涂层技术能够提高刀具表面的硬度 和耐磨性，降低摩擦系数，从而提 高切削速度和加工效率。
刀具结构
采用合理的刀具结构和几何参数， 如刀尖圆弧半径、切削刃倾角等， 能够改善切削效果，减少刀具磨损。
切削液技术
切削液种类
选择合适的切削液对于降低切削 温度、减少刀具磨损和提高加工 表面质量至关重要。常用的切削 液有油基、水基和半合成切削液
集成电路芯片。
高速切削技术能够实现高精度、 高效率的加工，满足电子信息产 业对产品精度和一致性的高要求。
高速切削技术的应用还有助于提 高电子信息产品的性能和可靠性，
降低生产成本。
05 高速切削技术的发展前景 与挑战
高速切削技术的发展前景
高效加工
高速切削技术能够显著提高加工效率，缩短产品 制造周期，降低生产成本。
高速切削技术研究
高速切削技术研究第一部分高速切削技术的定义与特点 (2)第二部分高速切削刀具材料与磨损机理 (4)第三部分高速切削机床的选型与应用 (7)第四部分高速切削参数优化方法 (10)第五部分高速切削过程的热控制技术 (13)第六部分高速切削加工精度与表面质量 (15)第七部分高速切削在典型零件加工中的应用 (17)第八部分高速切削技术的发展趋势与挑战 (20)第一部分高速切削技术的定义与特点高速切削技术是一种先进的制造工艺，它通过使用高转速的刀具和优化的切削参数来提高材料去除率、加工精度和表面质量。
该技术的核心在于实现高效率、高质量和高精度的加工过程。
在高速切削过程中，刀具以极高的速度旋转（通常超过每分钟数千转），同时进给速度也相应提高。
这种高速旋转产生的离心力有助于减小切削力和切削热，从而延长刀具寿命并减少工件的热变形。
此外，由于切削力的降低，高速切削还可以减少振动，进一步提高加工精度。
高速切削技术的优势主要体现在以下几个方面：1.高效率：与传统切削相比，高速切削可以显著提高材料去除率，缩短加工时间。
研究表明，高速切削可以提高生产效率达 30%至50%。
2.高精度：高速切削过程中的低切削力可以减少工件的振动，从而提高加工精度。
此外，由于切削热的影响较小，工件的热变形也得到了控制。
3.高质量表面：高速切削产生的切削热较低，这有助于减少工件的烧伤和裂纹，从而获得更好的表面质量。
4.刀具寿命延长：高速切削可以降低切削力，减少刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。
5.节能减排：高速切削技术可以实现更高的材料去除率，从而减少能源消耗和碳排放。
然而，高速切削技术也存在一些挑战，如刀具成本较高、对机床性能要求较高等。
因此，在实际应用中，需要根据具体加工需求和技术条件，合理选择切削参数和刀具，以确保高速切削技术的有效性和经济性。
总之，高速切削技术作为一种先进的制造工艺，具有高效率、高精度、高质量表面等优势，但在实际应用中需充分考虑其成本和设备要求。
机械制造中的机械加工高速切削技术
机械制造中的机械加工高速切削技术高速切削是机械加工领域中的一项重要技术，它在工件加工过程中使用高速切削工具，以较大的进给速度和转速进行切削，提高了加工效率和加工质量。
本文将介绍机械加工高速切削技术的原理、特点以及在机械制造中的应用。
一、高速切削技术的原理高速切削技术是基于高速运动的切削工具和工件之间的相对运动原理。
在高速切削过程中，切削工具以较高的转速和进给速度与工件接触，形成切屑并进行切削。
相比传统的慢速切削，高速切削具有以下特点：1. 切削速度较快：高速切削在保持刀具刃口整齐的情况下，增大刀具转速和进给速度，从而大幅提高了切削效率。
2. 切削温度较低：高速切削由于切削时间短，切削工具与工件接触时间减少，从而减少了热量在切削区域的积累，使得切削温度低于常规切削。
3. 切削力较小：高速切削采用较高的转速和进给速度，在单位时间内切削的材料量相对较大，切削力得到了有效分散，从而降低了切削力的大小。
二、高速切削技术的应用1. 提高生产效率：高速切削技术在机械制造中广泛应用，能够显著提高生产效率。
通过提高切削速度和进给速度，生产厂商可以在较短时间内完成更多的加工任务，提高了机械加工的效率。
2. 提高加工精度：高速切削技术具有切削温度低、切削力小等特点，能够减小热变形和机械振动对工件加工精度的影响，提高了加工精度和表面质量。
3. 增加工件材料种类：高速切削技术在闪光电火花加工、超硬材料和薄壁工件高速切削等领域应用广泛。
高速切削通过较高的转速和进给速度，能够更好地适应不同材料的加工需求。
4. 降低加工成本：高速切削技术通过提高加工效率和降低切削力，可以减少切削时间和刀具磨损，从而降低了加工成本。
三、机械加工高速切削技术的挑战与发展高速切削技术在机械制造中的应用受到了一些挑战，如切削热问题、切削润滑和冷却问题等。
同时，随着高速切削技术的发展，一些新的切削方式如超声波切削、激光切削等也受到了广泛关注。
为了进一步推动高速切削技术的发展，需要加强研究，探索新的切削理论和方法。
先进制造工艺--高速切削技术
第三讲1.高速切削技术高速切削的产生背景和发展史高速切削（HSM或HSC）通常指高主轴转速和高进给速度下的立铣，它是20世纪90年代迅速走向实际应用的先进加工技术，在航空航天制造业、模具加工业、汽车零件加工、以及精密零件加工等得到广泛的应用。
高速铣削技术既可用于铝合金、铜等易切削金属，也可用于淬火钢、钛合金、高温合金等难加工材料，以及碳纤维塑料等非金属材料。
例如，在铝合金等飞机零件加工中，曲面多且结构复杂，材料去除量达高达90％～95％，采用高速铣削可大大提高生产效率和加工精度；在模具加工中，高速铣削可加工淬火硬度大于HRC50的钢件，因此许多情况下可省去电火花加工和手工修磨，在热处理后采用高速铣削达到零件尺寸、形状和表面粗糙度要求。
高速切削概念始于1931年德国所罗门博士的研究成果：“当以适当高的切削速度（约为常规速度的5～10倍）加工时，切削刃上的温度会降低，因此有可能通过高速切削提高加工生产率”。
60多年来，人们一直在探索有效、适用、可靠的高速切削技术，但直到20世纪90年代该技术才逐渐在工业实际中推广应用。
高速切削最早在飞机制造业和模具制造l受到很大的重视。
为使飞机的零部件满足很高的可靠性要求，大部分重要零件都是在整块铝合金坯件卜铣削而成，既可减少焊缝，又可提高零件的强度和抗振性。
但常规铣削效率很低，从而导致了高的生产成本和长的交货时间。
高速切削是克服这方面问题的最好解决方案。
汽车工业中，模具制造是产品更新换代的关键。
新车型定型后，模具制造周期的长短直接影响到产品的上市时间，也关系到市场竞争的成败。
所以在80年代美国、欧洲和日本的政府都出巨资推动高速切削在模具制造中的应用研究，90年代初高速切削已进入工业化应用。
图16 高速切削在生产应用中的发展历程图17 采用高速切削后产品质量提高的历程a一硬质合金切钢 b一硬质合金切铸铁c—CBN切铸铁图16是德国宝马公司（BMW）采用高速切削的历程。
《高速切削加工》课件
03 高速切削加工的关键技术
高速切削加工的刀具技术
刀具材料
01
高速切削加工需要使用高硬度、高耐磨性的刀具材料，如硬质
合金、陶瓷和金刚石等。
刀具涂层技术
02
涂层技术能够提高刀具表面的硬度和耐磨性，降低摩擦系数，
提高切削效率。
刀具几何形状
03
高速切削加工需要采用特殊的刀具几何形状，如小前角、大后
角和短刀刃等，以减小切削力、切削热和刀具磨损。
在高速切削加工中，降低能耗、减少废弃 物排放和提高资源利用效率成为重要的发 展趋势，符合可持续发展的要求。
高速切削加工面临的挑战与对策
高温与热变形
高速切削加工过程中产生的高温可能导致 刀具磨损、工件热变形等问题，需采用新 型刀具材料、强化冷却技术等手段解决。
振动与稳定性
高速切削加工过程中的振动可能影响加工 精度和表面质量，应优化机床结构、提高 刚性和阻尼性能。
模具型腔加工
高速切削加工技术在模具制造业 中广泛应用于模具型腔的加工， 如注塑模、压铸模等，能够快速 准确地完成复杂型面的加工。
模具钢材料加工
高速切削加工技术能够高效地加 工各种模具钢材料，如H13、 SKD61等，提高加工效率，减少 热量的产生和材料的变形。
高速切削加工在航空航天制造业的应用
航空发动机制造
高速切削加工的工艺参数
1 2 3
切削速度
提高切削速度可以提高加工效率，但同时也需要 选择合适的刀具和材料，以避免刀具磨损和工件 热变形。
进给速度
进给速度的提高可以增加材料去除率，但过高的 进给速度可能导致刀具磨损和工件表面质量下降 。
切削深度
适当的切削深度可以提高加工效率，但过大的切 削深度可能导致刀具磨损和工件表面质量下降。
高速切削加工技术ppt课件.pptx
我国高速切削加工技术最早应用于轿车工业，二十世纪八十年 代后期，相继从德国、美国、法国、日本等国引进了多条具有先进 水平的轿车数控自动化生产线，如从德国引进的具有九十年代中期 水平的一汽大众捷达轿车和上海大众桑塔纳轿车自动生产线，其中 大量应用了高速切削加工技术。生产线所用刀具材料以超硬刀具为 主，依靠进口。
近年来，我国航天、航空、汽轮机、模具等制造行业引进了 大量加工中心和数控镗铣床，都不同程度地开始推广应用高速切 削加工技术，其中模具行业应用较多。
例如上海某模具厂，高速铣削高精度铝合金模具型腔，半精 铣采用主轴转速18000rpm，切削深度2mm，进给速度5m/min； 精铣采用20000rpm，切削深度0.2mm，进给速度8m/min，加工 周期为6h，质量完全满足客户要求。
➢ 高速切削已成为当今制造业中一项快速发展 的新技术，在工业发达国家，高速切削正成 为一种新的切削加工理念。
➢ 人们逐渐认识到高速切削是提高加工效率的 关键技术。
高速切削的特点
➢ 随切削速度提高，单位时间内材料切除率增加，切削加工时间减 少，切削效率提高3～5倍。加工成本可降低20％-40％。
➢ 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力可减少30%以上， 减少工件变形。对大型框架件、刚性差的薄壁件和薄壁槽形零件 的高精度高效加工，高速铣削是目前最有效的加工方法。
高速切削的加工工艺方法
目前高速切削工艺主要在车削和铣削，各类高速切削机床 的发展将使高速切削工艺范围进一步扩大，从粗加工到精加工 ，从车削、铣削到镗削、钻削、拉削、铰削、攻丝、磨削等。
随着市场竞争的进一步加剧，世界各国的制造业都将更加积 极地应用高速切削技术完成高效高精度生产。
高速切削加工在国内的研究与应用
先进制造技术 第2章 高速切削技术2-1
萨洛蒙在l924一1931年间，进行了一系列的高速切削实验： 在非黑色金属材料，如铝、铜和青铜上，用特大直径的刀 盘进行锯切，最高实验的切削速度曾达到14000m／min， 在各种进给速度下，使用了多达20齿的螺旋铣刀。l931年 申请了“超极限速度”专利，随后卖给了“Krupp钢与工 具制造厂”。 萨洛蒙和他的研究室实际上完成了大部分有色金属的切削 试验研究，并且推断出铸铁材料和钢材的相关曲线。 萨洛蒙理论提出了一个描述切削条件的区域或者是范围， 在这个区域内是不能进行切削的。萨洛蒙没有提出可靠的 理论解释，而且他的许多实验细节也没有人知道。
刀具磨损曲线
三、高速切削切屑形成
高速切削试验表明，工件材料及 性能对切屑形态 有决定性影响。
低硬度和高热物理性能的工件材料（铝合金、低碳钢、未 淬硬钢等）易形成连续带状切屑。 高硬度和低热物理性能的工件材料（钛合金钢、未淬硬钢 等）易形成锯齿状切屑。
切削速度对切屑形态有重要影响。对钛合金，在 （1.5~4800)m/min的切削速度范围内形成锯齿状 切屑，随切削速度的增加，锯齿程度（锯齿的齿 距）在增加，直至成为分离的单元切屑。
不同切削速度下车削45钢件的切削形态。
一方面，切削速度增加，应变速度加大，导致脆 性增加，易于形成锯齿状切屑；另一方面，切削 速度增加，切屑温度增加，导致脆性降低，不易 形成锯齿状切屑；
绝热剪切理论（Adiabatic Shear Theory) 周期脆性断裂理论（Periodic brittle fracture theoty）
萨洛蒙（Salomon）曲线
1600
切削温度/℃
钢
1200
青铜
铸铁 硬质合金980℃ Stelite合金850℃ 高速钢650℃ 碳素工具钢450℃
高速切削加工技术
高速切削的适用性
高速切削的适用性
高速加工作为一种新的技术，其优点是显而易见的，它给传统的金属切削理论带来了一种革命性的变化。那 么，它是不是放之四海而皆准呢?显然不行。即便是在金属切削机床水平先进的瑞士、德国、日本、美国，对于这 一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究当中。实际上，人们对高速切削的经验还很少，还有许多问题有待于 解决：比如高速机床的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和耐用度问题，机床与刀具间的接口技术（刀具的 动平衡、扭矩传输）、冷却润滑液的选择、CAD/CAM 的程序后置处理问题、高速加工时刀具轨迹的优化问题等等。
(1)CAM系统应具有很高的计算编程速度
高速加工中采用非常小的切给量与切深，故高速加工的NC程序比对传统数控加工程序要大得多，因而要求计 算速度要快，要方便节约刀具轨迹编辑，优化编程的时间。
(2)全程自动防过切处理能力及自动刀柄干涉检查能力
高速加工以传统加工近10倍的切削速度进行加工，一旦发生过切对机床、产品和刀具将产生灾难性的后果， 所以要求其CAM系统必须具有全程自动防过切处理的能力。高速加工的重要特征之一就是能够使用较小直径的刀 具，加工模具的细节结构。系统能够自动提示最短夹持刀具长度，并自动进行刀具干涉检查。
如此看来，主轴转速为10～r/min这样的高速切削在实际应用时仍受到一些限制： (1)主轴转速10～r/min时，刀具必须采用 HSK 的刀柄，外加动平衡，刀具的长度不能超过120mm，直径不 能超过16mm，且必须采用进口刀具。这样，在进行深的型腔加工时便受到限制。 (2)机床装备转速为10～r/min的电主轴时，其扭矩极小，通常只有十几个N·m，最高转速时只有5～6N·m。 这样的高速切削，一般可用来进行石墨、铝合金、淬火材料的精加工等。 (3)MIKRON公司针对这些情况开发了一些主轴最高转速为r/min、r/min、r/min和r/min的机床，尽力提高 进给量(～mm/min)，以保证机床既能进行粗加工，又能进行精加工，既省时效率又高。
高速切削技术
高速切削技术（1）高速切削技术的特点高速加工是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。
高速加工被认为是21世纪机加工艺中最重要的手段。
高速切削与常规切削相比具有明显优点：加工时间减少约60％～80％，进给速度提高5～10倍，材料去除率提高3～5倍，刀具耐用度提高70％，切削力减少约30％表面粗糙度Ra可达8um～10um，工件温升低，热变形、热膨胀减小，适宜加工细长、复杂薄壁零件等。
高速切削技术对机床、刀具、控制系统、编程等都提出了更高的要求。
我们所指高速加工是高速主轴、高速进给和先进的控制软件。
目前，国外在高速切削加工方面除了进行工艺研究外，还着重开展了研制、发展和提供能够适应于高速切削加工用的高质量、高性能、高可靠性的加工设备和装置。
与高速切削加工设备和装置相关的新技术包括：机床结构改进、主轴结构改进、坐标轴驱动技术、导轨设计、刀具材料研究、刀具夹持装置、冷却处理技术、精密位置测量技术、排屑技术以及能适应于高速切削加工设备控制的CNC控制系统及软件等。
（2）高速切削技术的适用范围航空航天工业是高速切削技术的主要用户，飞机关键零件形状的复杂性使高速加工越来越受到重视。
高速加工尤其适用于轻合金和复合材料，95％的能量由切屑带走，从而使零件的温度不会很高。
事实上铣刀切削金属没有对它施加内应力，因此它优于一般的加工。
目前的铣切类型包括端铣、面铣、模具铣。
高速铣削主轴转速目前一般在40000r／min-50000r ／min，这是精密加工的主轴和先进的切削材料的安全应用范围。
但单纯的主轴速度提高，井不能完成高速切削，还要求高速进给（减少加工时间和非加工时间），机床坐标轴具有1g～2g加速度及高刚性和固有频率，先进控制器，先进的零件编程等。
这就是说精密高速加工成功与否取决于技术链：机床-主轴-工夹-刀具-刀片，这些与设计和制造问等重要。
当然，高的切削速度对切屑量、切削表面质量、切削力和刀具寿命都有极大的影响。
CNC机床加工中的高速切削技术
CNC机床加工中的高速切削技术在CNC机床加工中，高速切削技术是一种先进的加工方法，其具有高效、高精度和高质量的特点。
本文将就高速切削技术在CNC机床加工中的应用进行探讨，并分析其对加工效率和产品质量的影响。
一、高速切削技术的基本原理高速切削技术是指在CNC机床中，将切削速度提高到较高的水平，以达到更快的加工速度和更高的精度。
其基本原理是通过增加切削刀具的转速和提高进给速度，以缩短切削时间并提高加工效率。
同时，高速切削技术还要求切削刀具具备足够的硬度和耐磨性，以保持切削效果的稳定性。
二、高速切削技术的优点1. 提高加工效率：高速切削技术能够显著缩短加工时间，提高CNC 机床的生产效率。
通过提高切削速度和进给速度，大大缩减了加工时间，缩短了生产周期，使企业能够更快速地响应市场需求。
2. 提高产品质量：高速切削技术能够实现更高的加工精度和更好的表面质量。
较高的切削速度使得加工过程中切削力的波动更小，有利于减少振动和共振现象的产生，从而提高了加工精度和表面质量。
3. 延长刀具寿命：高速切削技术还可以有效延长刀具的使用寿命。
相比传统的低速切削，高速切削可以减少刀具与工件的接触时间，降低了刀具磨损，延长了刀具的使用寿命，降低了生产成本。
4. 降低能耗：高速切削技术由于加工时间的减少，可以减少机床的运行时间，从而降低了能耗。
这对于提高企业的生产效益和环境保护都具有积极的意义。
三、高速切削技术的应用高速切削技术广泛应用于CNC铣床、车床、磨床等机床领域。
以下是常见的高速切削技术应用场景：1. 高速铣削：在零件加工中，采用高速切削技术可以显著提高铣削效率和表面质量。
高速切削铣削通常用于加工铝合金、镁合金等轻金属材料，同时还可以用于精密模具的加工。
2. 高速车削：在车削加工中，采用高速切削技术可以提高车削效率和降低成本。
高速车削通常应用于加工不锈钢、钛合金等难切削材料，可以大幅提高车削效率和降低能耗。
3. 高速磨削：在精密磨削中，采用高速切削技术可以提高磨削效率和减少磨削温度。
高速切削加工技术介绍
美国于 1960 年前后开始进行超高速切削试验。试验将刀具装在加农炮里，从滑台上射向工件；或将工件当作子弹射向固定的刀具。 1977 年美国在一台带有高频电主轴的加工中心上进行了高速切削试验，其主轴转速可以在 180 ～ 18000r / min 范围内无级变速，工作台的最大进给速度为 7 . 6m / min。
1979 年美国防卫技术研究总署（ DARPA ）发起了一项“先进加工研究计划”，研究切削速度比塑性波还要快的超高速切削，为快速切除金属材料提供科学依据。
在德国， 1984 年国家研究技术部组织了以 Darmstadt 工业大学的生产工程与机床研究所 PTW ）为首，包括 41 家公司参加的两项联合研究计划，全面而系统地研究了超高速切削机瓜刀具、控制系统以及相关的工艺技术，分别对各种工件材料（钢、铸铁、特殊合金、铝合金、铝镶铸造合金、铜合金和纤维增强塑料等）的超高速切削性能进行了深入的研究与试验，取得了切削热的绝大部分被切屑带走国际公认的高水平研究成果，并在德国工厂广泛应用，获得了好的经济效益。日本于 20 世纪 60 年代就着手超高速切削机理的研究。日本学者发现在超高速切削时，工件基本保持冷态，其切屑要比常规切屑热得多。日本工业界 35善于吸取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现已跃居世界领先地位。进人 20 世纪 90 年代以来，以松浦（ Matsuora ）、牧野 ( Makino ）、马扎克（ Mazak ）和新泻铁（ Niigata ）等公司为代表的一批机床制造厂，陆续向市场推出不少超高速加工中心和数控铣床，日本厂商现已成为世界上超高速机床的主要提供者.
2 高速切削刀具
刀具是实现高速加工的关键技术之一。生产实践证明，阻碍切削速度提高的关键因素是刀具能否承受越来越高的切削温度在萨洛蒙高速切理研究和高速切削试验的不断深人，证明高速切削的最关键技术之一就是所用的刀具。舒尔兹教授在第一届德国 ― 法国高速切削年会（ 1997 年）上做的报告中指出：目前，在高速加工技术中有两个基本的研究发展目标，一个是高速引起的刀具寿命问题，另一个是具有高精度的高速机床．
高速切削的关键技术——高速切削机床
高速切削的关键技术——高速切削机床高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC 控制系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等相关的硬件与软件技术的基础之上综合而成的。
因此，高速切削加工是一个复杂的系统工程，由机床、刀具、工件、加工工艺、切削过程监控及切削机理等方面形成了高速切削技术的研究体系，如图9 一3 所示。
按其内容、特点和相互关系可分为技术原理、基础技术、单元技术和总体技术4 个层次，如图9 一4 所示。
其中技术原理通过高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工机理，对高速加工过程中的变形、力、温度、摩擦和磨损规律及高速加工系统各部分的稳定性、可靠性等进行分析;基础技术和单元技术是实现高速切削技术的关键，包括材料技术，构件、元件及部件的设计和制造技术，控制和监测方法;总体技术是各单元技术按应用特征和技术性能的进一步集成。
实现高速切削的最关键技术是研究开发性能优良的高速切削机床，自20 世纪80 年代中期以来，开发高速切削机床便成为国际机床工业技术发展的主流。
1 .高速切削机床基本结构机床的基本结构有床身、底座和立柱等，高速切削会产生很大的附加惯性力.因而机床床身、立柱等必须具有足够的强度、刚度和高水平的阻尼特性。
很多高速机床的床身和立柱材料采用聚合物混凝土或人造花岗岩，这种材料阻尼特性为铸铁的7~10 倍，密度只有铸铁的1 / 3 。
提高机床刚性的另一个措施是改革床体结构，如将立柱和底座合为一个整体，使得机床可以依靠自身的刚性来保持机床精度。
2 .高速主轴高速主轴是高速切削最关键零件之一，目前主轴转速在10000~20000r / min 的加工中心越来越普及，转速高达l00000r / min 、200000r / min 、250000r / min 的实用高速主轴也正在研制开发中。
《高速切削》课件
高速切削技术面临的挑战
高成本
高速切削技术需要高精度 和高性能的机床、刀具等 设备，成本较高。
技术门槛高
高速切削技术需要操作者 具备较高的技能水平和经 验，技术门槛较高。
加工过程不稳定
高速切削过程中的振动、 热变形等因素可能导致加 工过程不稳定，影响加工 精度和表面质量。
高速切削技术的发展前景
广泛应用
高速切削过程中产生的热量较 少，减少了工件的热变形和热 损伤，有利于加工质量的稳定 。
适合难加工材料
对于一些硬、韧、耐磨等难加 工材料，高速切削可以有效地
提高切削效率和加工质量。
高速切削的应用领域
航空航天
汽车制造
高速切削在航空航天领域广泛应用于加工 高强度、轻质材料，如钛合金和复合材料 等。
汽车制造过程中需要大量切削加工，高速 切削可以提高生产效率和加工质量，尤其 在汽车零部件的制造中得到广泛应用。
02
高速切削通常采用非常锋利的刀 具，并在高转速的机床条件下进 行加工，以实现高效率、高质量 的切削。
高速切削的特点
高效率
高速切削的切削速度远高于常 规切削，因此可以在短时间内 完成大量切削，提高生产效率
。
高质量
高速切削产生的切削力较小， 减少了工件的变形和振动，提 高了加工精度和表面质量。
减少热影响
高速切削时，应使用高质量的刀具和合适的切削液，以减小刀具磨损和提高加工精 度。
CHAPTER 03
高速切削的关键技术
高速切削的刀具技术
刀具材料
选用高硬度、高耐磨性的刀具材 料，如硬质合金、陶瓷和金刚石 等，以提高刀具的耐用度和切削
效率。
刀具几何形状
设计合理的刀具几何形状，如采用 较大的前角和后角，以减小切削力 和切削热，提高刀具的切削性能。
高速切削关键技术及其运用
．高速切削技术概述1.1高速切削的概念高速切削（HighSpeedCutting）是一个相对概念，迄今尚未有一个确切的界定。
高速切削通常指比常规切削速度和进给速度高出5倍～10倍的切削加工，有时也称为超高速切削（Ultra2 high Speed Cutting）。
也有将主轴转速达到10000r/min～60000r/min，快速进给速度40m/min以上，平均进给速度10m/min以上，加速度大于1g的切削加工定义为高速切削。
对于不同的工件材料和加工工艺，高速切削速度（切削加工的线速度，单位m/min）范围也不同。
按工件材料划分，当切削速度对钢材达到380m/min以上、铸铁700m/min以上、铜材1000m/min以上、铝材1100m/min以上、塑料1150m/min以上时，被认为是合适的高速切削速度范围；按加工工艺划分，高速切削速度范围为：车削700m/min～7000m/min，铣削300m/min～6000m/min，钻削200m/min～1100m/min，磨削5000m/min～10000m/min。
高速切削概念是德国切削物理学家萨洛蒙（CarlSalomon）于1931年提出的，现在人们常用“萨洛蒙曲线”来表示。
他认为，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，一定的工件材料对应有一个临界切削速度，此处切削温度最高，但当切削速度超过临界值后，切削温度不但不升反而下降。
对于每一种工件材料，都存在一个速度范围，在该范围内，由于切削温度太高，刀具材料无法承受，切削加工不能进行，这个范围称之为“死谷”。
如果切削速度能越过“死谷”，在高速区工作，则有可能用现有的刀具进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而大大减少切削工时，大幅度提高机床生产效率。
1.2高速切削技术的特点高速切削速度较之常规切削速度几乎高出1个数量级，其切削机制异于常规切削。
由于切削机制的改变，使得高速切削技术具有如下特点。
高速切削加工技术
在通用机械制造业中，高速切 削加工技术广泛应用于机床、 泵阀、压缩机和液压传动装置 等产品的制造。
05
高速切削加工技术的发 展趋势与挑战
高效稳定的高速切削技术
高效稳定的高速切削技术是未来发展 的关键，需要不断提高切削速度和加 工效率，同时保持加工过程的稳定性 和可靠性。
高效稳定的切削技术还需要不断优化 切削参数和刀具设计，以适应不同材 料和加工需求的挑战。
高速切削工艺技术
切削参数选择
根据不同的加工材料和切削条件， 选择合适的切削速度、进给速度 和切削深度等参数，以实现高效
切削和高质量加工。
切削液使用
合理选用切削液，如乳化液、极 压切削油等，以提高切削效率和 工件表面质量，同时减少刀具磨
损和热量产生。
加工路径规划
采用合理的加工路径和顺序，以 减少空行程和换刀次数，提高加
高效稳定的切削技术需要解决切削过 程中的振动和热变形问题，提高加工 精度和表面质量。
高性能刀具材料的研发
高性能刀具材料是实现高速切削 的关键因素之一，需要具备高硬 度、高强度、高耐磨性和良好的
抗热震性等特点。
研发新型高性能刀具材料，如超 硬材料、陶瓷材料等，能够提高 切削速度和加工效率，同时减少
刀具磨损和破损。
改善加工质量
01
高速切削加工技术能够减少切削 力，降低切削热，从而减小了工 件的热变形和残余应力，提高了 加工精度和表面质量。
02
由于切削力减小，工件不易产生 振动，减少了振纹和表面粗糙度 ，进一步提高了加工质量。
降低加工成本
高速切削加工技术能够显著提高加工效率，缩短了加工周期，从而降低了单件成 本。
高速切削加工技术
目 录
• 高速切削加工技术概述 • 高速切削加工技术的优势 • 高速切削加工的关键技术 • 高速切削加工的实践应用 • 高速切削加工技术的发展趋势与挑战 • 高速切削加工技术的未来展望
高速切削加工技术的概念
高速切削加工技术的概念高速切削加工技术是一种在机械加工中使用高速旋转刀具来去除材料的工艺。
它可以提高加工效率、减少加工成本，提高切削质量，并延长刀具寿命。
在高速切削加工技术中，切削速度通常比传统切削速度高出几倍，达到可达到切削极限的速度。
高速切削加工技术的基本原理是通过尽可能高的转速来提高切削速度，以减小切削过程中的切削时间。
高速切削加工技术的发展需要满足以下几个条件：高速切削的刀具材料需要具备良好的硬度、热稳定性和刚性；高速切削需要使用高速转子以提供所需的切削速度；高速切削需要使用高速切削液以冷却和润滑刀具和切削床面。
高速切削加工技术的优点主要体现在以下几个方面：1. 高加工效率：高速切削加工可以提高切削速度，减少切削时间，从而提高加工效率。
与传统切削相比，高速切削可以将加工时间减少50%以上。
2. 高表面质量：高速切削加工可以减小切削过程中的机床振动和切削力，从而获得更高的表面质量。
切削过程中，高速转子产生的离心力可以抑制刀具的振动，提高切削表面的光洁度。
3. 刀具寿命长：高速切削加工可以减小切削温度，减小切削热对刀具的影响，从而延长刀具的使用寿命。
高速切削可以在减小切削温度的同时提高切削速度，从而有效地降低刀具的受热面积，减小刀具的磨损。
4. 减少加工成本：高速切削加工可以提高加工效率，减少切削时间，从而减少加工成本。
高速切削还可以减小切削力和切削温度，减少切削液的消耗，降低切削液的成本。
高速切削加工技术的应用范围广泛，包括航空航天、汽车制造、模具制造、电子制造等领域。
例如，在航空航天制造中，高速切削可以快速精确地加工复杂的零部件；在汽车制造中，高速切削可以提高发动机零部件的加工效率和精度；在模具制造中，高速切削可以提高模具的加工效率和精度；在电子制造中，高速切削可以提高电路板的加工效率和精度。
总之，高速切削加工技术是现代制造业的一个重要发展方向。
通过提高切削速度，高速切削加工可以提高加工效率、减少加工成本，并提高切削表面的质量。
数控加工工艺学第8章高速切削工艺
冷却润滑优化
采用高效冷却润滑剂，减少切削热和 摩擦，降低刀具磨损和工件热变形。
高速切削的实践案例
1 2
航空制造领域
在航空制造领域，高速切削技术广泛应用于加工 飞机零部件，如发动机叶片和机身结构件等。
数控加工工艺学第8章高速切削工 艺
目录
• 高速切削工艺概述 • 高速切削的原理与技术 • 高速切削的材料与刀具 • 高速切削的机床与设备 • 高速切削的工艺优化与实践
01 高速切削工艺概述
高速切削的定义与特点
高速切削定义
高速切削是一种在极短时间内完 成高精度加工的方法，通过高转 速和高进给速度实现高效加工。
钟）。
根据布局形式
高速切削机床可分为立式机床、 卧式机床、龙门式机床等。
根据功能
高速切削机床可分为铣削机床、 车削机床、钻孔机床等。
高速切削机床的应用
难加工材料
01
高速切削机床适用于加工各种难加工材料，如高硬度、高强度、
高耐磨性的材料。
薄壁件和细长件
02
高速切削机床能够快速去除材料，减少工件变形，适用于加工
根据切削速度、进给量等 参数选择合适的刀具材料。
根据加工要求选择
根据加工精度、表面质量 等要求选择合适的刀具材 料。
04 高速切削的机床与设备
高速切削机床的特点
高转速
高速切削机床的主轴转速非常高，通常在10,000100,000转/分钟之间，甚至更高。
大功率
高速切削机床需要大功率来提供高切削速度和高进给速 度。
ABCD
高动态性能
高速切削机床的动态性能优异，能够快速响应加减速， 确保加工过程的稳定性和精度。
高速切削(HSC)技术
一、高速切削的原始定义1931年，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.J.Salomon）博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利（Machine with high cutting speeds）的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。
切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。
实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。
二、现代高速切削技术的概念所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。
到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。
但这一原理的成功应该不只局限于此。
高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。
这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。
事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。
只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。
所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。
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高速切削（HSM=High Speed Machining）一、高速切削理论的提出和定义1．提出：高速切削理论最早是由德国物理学家Carl.J.Salomon 在1931 年4 月提出。
并发表了著名的Salomon曲线[1]。
如图1（a）所示。
主要内容是：在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，如图1(b)所示，且该切削速度值与工件材料的种类有关。
(a) (b)图1 切削温度变化曲线2、高速切削定义：目前高速切削技术比较普及的定义是根据1992年国际生产工程研究会(CIRP) 年会主题报告的定义：高速切削通常指切削速度超过传统切削速度5 － 10 倍的切削加工。
机床主轴转速在10000-20000r/min以上，进给速度通常达15-50m/min，最高可达90m/min。
实际上，高速切削是一个相对概念，它包括高速铣削、高速车削、高速钻孔与高速车铣（绝大部分应用是高速铣削）等不同的加工方式，根据被加工材料的不同及加工方式的不同，其切削速度范围也不同。
目前，不同的加工材料，切削速度约在下述范围，如表1所示[1]：表1 切削速度范围被加工材料切削速度范围铝合金1000~7500m/min铜合金900~5000m/min铸铁900~5000m/min钢500~2000m/min耐热镍基合金500m/min钛合金150~1000m/min纤维增强塑料2000~9000m/min3.特征现代研究表明，高速切削时，切屑变形所消耗的能量大多数转变为热，切削速度高，产生的热量越大，基本切削区的高温有助于加速塑性变形和切屑形成。
而且大部分热量都被切屑带走。
高速切削变形过程显著特征为:第一变形区变窄，剪切角增大，变形系数减少，如图2；第二变形区的接触长度变短，切屑排出速度极高，前刀面受周期载荷的作用。
所以高速切削的切削变形小，切削力有大幅度下降，切削表面损伤减轻。
图2 高速切削简化模型二、高速切削加工的优点与传统切削加工相比，高速切削加工的切屑形成、切削力学、切削热与切削温度和刀具磨损与破损等基础理论有其不同的特征，高速切削的切削机理发生了根本性的变化，从而切削加工的结果也发生了本质的变化，表现出很多优点：1．加工效率高高速切削具有高切削率、高进给率，可显著提高切削速度，其材料去除率通常可达传统切削的3~5倍以上。
2. 切削力小与传统切削相比较，高速切削的切削力小，振动频率低，可降低切削力30%~90%，径向力降低更明显。
利于薄壁零件加工。
国外采用数控高速切削加工技术加工铝合金、钛合金薄壁零件的最小壁厚可达0.005mm。
3. 切削热对工件影响小高速切削中90%的切削热被切屑带走，工件受热影响小，大大提高了工件的尺寸精度和形位精度。
实验证明当切削速度超过600m/min后，切削温度的上升在大多数情况下不会超过3℃，故高速切削特别适合加工易产生热变形的零件。
4. 加工精度高高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了好的加工状态，从而可获得较高的表面加工质量，而且残余应力较小。
5. 可实现绿色加工高速切削中刀具红硬性好，刀具切削寿命能提高70%，可不用或少用冷却液，实现绿色加工。
6. 高速切削可加工各种难加工材料。
在加工难切削材料时，采用高速切削技术，使用乳化切削液，采用油雾轻度润滑和冷却，不但能改善材料的切削状况，减小切削力，减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命，而且能减少工件的热变形与加工硬化，提高工件的表面质量，大大提高劳动生产率。
三、应用领域图3 应用领域图1 航空航天工业铝合金零件的加工：高速切削主要用于铣削高强度铝合金整体构件、薄壁类零件。
飞机上的零件通常采用“整体制造法”，其金属切除量相当大（一般在70%以上，有的高达98%），成品壁厚只有1mm 。
采用高速切削可以大大缩短切削时间，又保证了零件的质量。
另外，飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证质量。
2 模具制造业：型腔加工同样有很大的金属切除量，过去一直为电加工所垄断，其加工效率低。
电火花加工表面粗糙度达不到要求，一般还要进行抛光或研磨，生产周期长。
加工过程如图4（a ）所示。
大部分模具均适用于高速铣削技术，高速切削可加工硬度达50~60HRC 的淬硬钢，因而可取代大部分电火花加工，在模具行业高速切削采用的是典型的高转速、多速进给、低切深的加工方法。
可以大大简化工艺过程，缩短生产周期。
如图（b ）所示。
（a ）（b ）图4 模具的传统加工与高速切削加工工艺流程图 毛坯 粗加工 半精加工 热处理硬化电火花 加工 手工修磨 硬化的毛坯 粗加工半精加工 精加工3 汽车制造工业：对技术变化较快的汽车零件，采用高速加工。
（过去多用组合机加工，柔性差）如汽车发动机机体，缸盖，汽车覆盖件模具。
4 难加工材料的加工：如Ni基高温合金和Ti合金。
所有的高速切削研究成果均表明:在高速切削条件下，普通高速钢刀具可切削高强度钢，加工合金材料的脆性失效现象并没有发生，工件的表面质量明显提高。
5 纤维增强复合材料加工6 精密零件加工四、研究现状1. 国外研究现状1952年2月,美国的R.L.Vaughn教授首次主持超高速切削试验,经过试验指出:高速切削条件下刀具的磨损比普通速度减少了95%。
1976年美国的Vought公司首次推出1台有级高速铣床,该铣床采用Bryant内装式电机主轴系统,最高转速达20000r/min,功率为15kW。
近年来，新成立的隶属于美国国家科学研究委员会的“2010年及其以后国防制造工业委员会”提出了把生产加工工艺作为重大公关领域，把超高速切削列为与民用工业公用的先进制造基础技术的规划。
如今，美国波音公司采用数控高速切削加工技术超高速铣切铝合金、钛合金整体薄壁零件；休斯飞机公司采用超高速精密铣削技术加工平面阵列天线、挠性陀螺框架。
日本对高速切削技术的研究始于20世纪60年代。
田中义信利用来复枪改制的高速切削装置实现了高速切削,并指出高速切削的切屑形成完全是剪切作用的结果。
Y.Tanaka研究发现在高速切削时,切削热大部分被切屑带走,工件基本保持冷态。
自从20世纪80年代以来,一些高速切削车床和加工中心陆续问世,并且逐步商品化。
国外主轴转速在10000～20000r/min的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min、200000r/min、250000r/min的实用高速主轴正在研究开发之中。
2. 国内研究现状我国对于高速切削技术的研究起步较晚,一些高校和科研院所陆续开始对高速切削机理和实践进行应用研究。
南京航空航天大学对高速切削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进行了试验研究,发现切削变形为集中剪切滑移,且滑移区很窄,形成锯齿状不连续切屑,其变形机理完全不同于连续性切屑。
山东大学比较系统地研究了Al2O3基陶瓷刀具高速硬切削的切削力、切削温度、刀具磨损和破损、加工表面质量等,建立了有关切削力、切削温度模型及刀具磨损与破损的理论。
哈尔滨工业大学等用PCBN刀具对干式切削不同硬度轴承钢的切削力、切削温度、已加工表面完整性进行了切削试验研究,发现存在区分普通切削与硬态切削的临界硬度。
在临界硬度附近切削时,刀具的磨损严重,加工表面质量最差。
北京理工大学较为系统地研究了软钢、高强度装甲钢的高速铣削和淬硬钢、钨合金和硅铁的高速切削机理（刀具磨破损及刀具可靠性、切削力和表面粗糙度）。
天津大学和大连理工大学也都对高速硬切削机理进行了研究。
高速机床方面，东北大学研究了热压氮化硅陶瓷轴承，建立了高速磨削实验台，能进行200m/s的磨削加工实验。
同济大学、广东工业大学分别对主轴单元动态特性和直线电机的应用技术进行了系统的研究。
五、高速切削的关键技术 图5 高速切削的关键技术 1.高速切削机床系统高速切削机床不仅要有良好的刚性、优良的吸振特性和热稳定性，还必须具备下述条件：具有高速旋转的主轴部件，快速的进给系统，优良的机床动态特性，稳定的机床结构等。
其中关键的是高速主轴和高速进给系统。
（1）.高速主轴高速机床主轴是高速切削加工的最重要的关键技术，国外主轴转速在10000～20000r/min 的加工中心越来越普及，转速高达100000r/min 、200000r/min 、250000r/min 的实用高速主轴正在研究开发之中。
高速主轴主要有电主轴、气动主轴、水动主轴三种类型，目前高速机床中采用电主轴居多。
但最高主轴转速受限于主轴轴承，目前较多使用热压氮化硅陶瓷轴承和液体动静压轴承及空气轴承，或磁力极佳的磁力轴承。
液体静压轴承回转误差在0.2μm 以下，空气静压轴承回转误差在0.05μm 以下。
图6 高速电主轴结构简图高速切削技术 机床系统 刀 具 切削机理 工 艺 高速主轴C N C 控制系统 安全防护进给机构刀具材料 刀柄结构 刀刃形状 加工表面完整性 切屑形成机理切削力、切削热 刀具寿命 工艺优化N C 编程数据库（2）. 直线电机进给驱动系统如果采用通常的伺服电机+滚珠丝杠副的轴向直线进给系统，提高轴向进给速度和加速度将受到传统结构的限制，不能满足高速切削加工的要求，只有采用直线伺服电机高速驱动系统，它是高速机床设计的一个重要发展趋势。
直线电机可实现无接触直接驱动，避免了滚珠丝杠、齿轮和齿条传动中的反向间隙、惯性、摩擦力和刚度不足等缺点，提高了进给速度、加速度、刚度和定位精度。
2.刀具刀具与机床历来是相辅相成的，只有将高性能的切削机床和加工刀具相结合，高速切削才能获得良好的应用效果。
近年来，用于高速加工的刀具材料主要包括金刚石、立方氮化硼、陶瓷刀具、金属陶瓷、硬质合金涂层刀具、超细晶粒硬质合金刀具等。
高速切削中对刀具材料、刀具结构、刀柄系统、刀具几何参数等要求较高，尤其要求刀具材料与被加工材料的化学亲和力要小，并具有优异的机械性能和热稳定性，以及抗冲击、耐磨损的能力。
3. 高速切削数控系统用于高速切削加工的CNC控制系统必须具有快速的数据处理能力和高精度，以及快速响应的伺服控制以满足高速度及复杂型腔的加工要求。
目前在高速加工机床上采用的控制系统大多为较先进的多CPU结构，主要采用的是32位CPU，甚至多个32位CPU，具有高速插补与程序块处理以及有效的超前处理能力。
较强的超前处理能力用于预防刀具轨迹偏移与避免高速下突发事故。
4. 数据库在己建立的切削数据库中，当属CUTDATA（美）与NIFOS（德）最为著名。
◆世界上的第一个金属切削数据库是1964年美国技术切削联合研究所和美国空军材料研究所建立的，叫做美国空军加工性数据中心(AFMDC)。
◆成都工具研究所在1987年建成了我国第一个实验性车削数据库TRN10。